頻率、協定與功耗全盤考量　工業無線網路應用效率更出色

工業發送資料為雙向網路

許多工業應用都須要傳輸命令和控制類型的資料，其和RKE差異在於前者毋須確認是否實際收到溫度指示，而確認資料是否收到的前提條件是須存在雙向網路。隨著參與資料傳輸的驅動器、交換機和電機需求量增多，系統複雜程度也會立即增加，因此，工業網路通常不會使用簡單的單向RKE網路，因為須要確認已發送的資料是否真正送達。

基本上，工業無線解決方案每個節點都包含一個微控制器(MCU)。這種微控制器會與溫度感應器和驅動器之類的實體設備連接，對這些設備進行資料讀取或寫入。同時，這種微控制器還須負責管理射頻(RF)網路協定；該協定選擇取決於多種因素，包括傳輸範圍、資料速率、功耗和網路協定堆疊複雜性等都是判斷哪種解決方案是效果最佳的因素。

ZigBee/802.11/藍牙各有利弊

ZigBee最近受到大量關注。做為一個標準網路，ZigBee或802.15.4在剛開始時，對許多低功率、低資料速率的無線通訊應用是一個不錯的選擇。但是，ZigBee並非適合所有應用，在某些情況下，對於高資料速率通訊而言，802.11 WLAN才是理想的搭配。類似地，有些應用需要的是更遠的傳輸範圍和更長的電池壽命。簡言之，特定架構原因決定特定應用所需的無線網路類型。

在無線網路中，資料速率提升也會帶動系統資源相應增加。以802.11 WLAN為例，部署網路所需的功耗和代碼長度，決定這些協議不適合大部分嵌入式應用。一個典型802.11 WLAN節點需要1MByte程式記憶體和功能更強大的處理器才能部署單一功能節點。

802.11無線電附加系統處理器的功能非常適合運算應用和工業網路中的資訊回程，但部署802.11 WLAN功能節點所需的功率和系統資源，會大幅增加可攜式節點的負載，諸如溫度、壓力和驅動的遠程監控等工作並無法承受802.11 WLAN過高功耗、超長代碼和昂貴開支。

圖1　不同射頻網路所需的系統資源

ZigBee協定代碼空間(32～70KByte)相對較小，距離也適中(10～100公尺(m))。這些特點讓ZigBee成為工業網路首選方案。ZigBee一大優勢在於其網狀(Mesh)性能。網狀網路允許訊息在節點之間傳輸，如此一來，即使有節點傳輸失敗或掉隊，訊息仍可抵達目的地。由於網狀網路要求對封包進行精密的處理，因此需要更多的程式記憶體。圖1列出幾種無線網路的相對代碼長度。

藍牙是另一種經常在工業應用中被提及的選擇，但其傳輸範圍短和代碼需求稍大及其本身為點到點(P2P)通訊等事實，使其被排除在工業射頻應用的選擇外。

選用ISM頻帶專用網路方案　低頻率運作擴大傳輸範圍

另一方面，專用網路是指獨立於標準網路運作的網路，這種網路頻帶通常為915MHz工業、科學和醫學(ISM)和2.4GHz。在命令和控制類型應用中，有時也會使用315MHz或433MHz的頻帶。

做為以空氣傳輸的射頻訊號，其功率降低速度與傳輸距離成反比，與頻率成正比。圖2列出自由空間路徑損耗的計算公式和不同頻率的路徑損耗與距離之間的關係。

圖2　不同頻率的路徑損耗與距離之間的關係

路徑損耗(單位：dB)=20×log(4πd/λ)，其中d=距離(單位：公尺)，λ=波長(單位：公尺)。

當距離為100公尺時，自由空間中訊號傳輸路徑損耗如下：2.4GHz的損耗為80dB；915MHz損耗為72dB(比2.4GHz路徑損耗少8dB)；433MHz損耗為65dB(比2.4GHz路徑損耗少15dB)。

在射頻系統中，接收到的訊號強度是傳輸功率與系統天線增益的總和再減去路徑損耗後得出的值，如以下公式所示。
R=P_t+G_ant-(路徑損耗)

其中R=接收到的訊號強度；P_t=傳輸功率；G_ant=天線增益；L=路徑損耗。

系統中可看到，輸出功率為10dBm，天線系統增益為0，在100公尺空間中接收到的訊號強度為：

2.4GHz頻率時，強度為-70dB；915MHz頻率時，強度為-62dB；433MHz頻率時，強度為-55dB。

由此得出，2.4GHz系統接收器須具備至少-70dB靈敏度，才能偵測出理想自由空間環境中的訊號。

除在自由空間的路徑損耗外，訊號在傳輸過程中還會受到建築物、植物和其他物體阻擋而進一步衰減。其他因素(例如，多重路徑和訊號散射等)也會影響接收器對所接收射頻訊號的解譯效果。其他路徑損耗模型還須考慮天線離地距離和市區影響的損耗，這些模型是路徑損耗更為真實的顯示。在多數應用中，實際路徑損耗值比圖2數據高得多。如果頻率增加，路徑損耗也會增加，這就是為什麼2.4GHz系統的傳輸範圍要比同等的915MHz或433MHz系統更小的原因之一。

射頻工程中常用的一個經驗法則是，鏈路預算每增加6dB，傳輸距離將增加約一倍，只要謹記此法則，即可容易算出915MHz系統傳輸距離同等於2.4GHz系統兩倍以上。同理，433MHz系統傳輸距離也是915MHz系統兩倍，因此，頻率較低的系統可進行更長距離的資料傳輸。

為工業網路選擇頻率和調變類型時，資料速率也是關鍵。如前所述，低功率運作小型軟體堆疊的專用網路是遠端溫度監控和驅動的最佳選擇。設計師可依預期應用自訂封包，藉此簡化這些網路。

圖3　不同射頻網路的到達率與技術對比圖

使用ISM頻帶專用網路的無線解決方案的傳輸範圍和到達率通常會比透過ZigBee、藍牙或WLAN獲得的傳輸範圍或到達率好很多。對於以較低頻率運作的專用網路，除路徑損耗較少外，其他因素也有利擴大傳輸範圍。封包更小、資料速率更低和發送多份資料副本的能力則是專用網路優於標準網路的原因。圖3為不同無線網路的到達率與技術對比圖。

ZigBee和ISM頻帶專用網路的功耗更符合工業網路在溫度、壓力和驅動資料遠端監控中的預期。使用兩顆三號電池，一個ZigBee節點可留存約一年，而在相同電源下，使用專用ISM頻帶協定的節點則可輕鬆留存長達10年。能夠延長ISM頻帶解決方案的電池壽命，是因為設計師可以選擇資料的工作週期，藉此依具體情況自訂解決方案。

低頻率頻帶開創新解決方案

全球廣泛接受的ZigBee 802.15.4系統頻率為2.4GHz，ZigBee使用直接序列擴頻(DSSS)、偏移四相相移鍵控(O-QPSK)做為調變方案。ZigBee無線電在美洲也可以915MHz DSSS的頻率運作，在歐洲為868MHz DSSS；這些頻率均使用二階相移鍵控調變(BPSK)做為調變方案。

迄今，大部分ZigBee解決方案均為2.4GHz。由於許多無線標準和微波爐的廣泛使用，2.4GHz頻帶已變得越來越擁擠。因此，可考慮使用較不擁擠的915MHz、868MHz，甚至433MHz ISM頻帶來代替2.4GHz無線解決方案。

2.4GHz的天線波長比915MHz或更低頻率的天線波長更短；這是為何許多WLAN路由器都需要兩根天線的原因(頻率為5.6GHz的802.11g需要三根天線)。反射和多重路徑會造成2.4GHz傳輸中的訊號消失。使用較低頻率(例如915MHz)部署的網路，不會出現這麼多的多重路徑和訊號消失情況，因此只需一根天線便能良好運作。

運行頻率為915MHz或低於915MHz的許多應用，均可使用板載帶線印刷電路板(PCB)天線實現資料傳輸。透過減少天線數量將有助於降低整個系統成本，此外，這還能促使追求低成本和需要更長傳輸距離的工業網路選擇2.4GHz以外的其他網路。

多年來，工程師一直致力於使用開關鍵控(OOK)、振幅移位鍵控(ASK)和頻移鍵控(FSK)調變方案建立專用射頻網路，這些網路曾多次為工程師提供不容小覷的好處。目前半導體業者已推出一種頻帶位於310M～950MHz之間的收發器，它可執行ISM頻帶中許多RKE和雙向無線網路協定。然而，無線網路困難處在於，微控制器所使用的軟體堆疊，這也是影響許多射頻設計的重要環節。

在此以麥瑞(Micrel)半導體設計的MICRF505 FSK收發器為例進行說明，該晶片使專用於跳頻擴頻(FHSS)的FCC 15.247相容協定成為通用的C源代碼。這款軟體名為MicrelNet，它專為使用二十五個跳頻的250kHz頻寬中，所需的FHSS調變技術提供支援。FHSS系統中有多個載波頻率，所有節點均設為同步，以允許跳頻。如果某個頻率出現故障或被占用，系統僅須跳到下一個頻率即可獲得資訊。軟體堆疊主要負責重新組合節點之間發送的封包。MicrelNet中的IP定址方案，可確保採用能夠輕鬆識別的來源地址和目的地地址類型，以對封包進行格式化。軟體CRC則可確保資料傳輸。

FCC 15.247允許915MHz的FHSS無線電輸出功率達250毫瓦(mW)，相當於50歐姆(Ω)天線中的24dBm。加上外部功率放大器和傳輸/接收交換機後，MICRF505收發器可承載250毫瓦的功率等級。

MicrelNet代碼堆疊可在8位元的微控制器中以8KByte的大小運作。該軟體加入許多工業無線網路，用以增強在每個節點上受小型低功率微控制器控制的現有RS232類網路性能。

在圖4中則列舉不同的無線網路拓撲，以及每個網路支援的節點數量。在無線工業網路中，應用和環境最終決定可以使用的網路類型。頻率、協定和功耗的選擇是決策流程的關鍵要素，因為它們會影響傳輸範圍、系統資源和解決方案的最終成本。

圖4　不同網路支援的節點數量

(本文作者任職於麥瑞半導體)